Все новости

Локальный демон поможет квантовым компьютерам. Местное «нарушение» второго закона термодинамики сделает квантовый бит стабильнее

Ученые из МФТИ вместе с коллегами из США и Швейцарии предложили нового квантового «демона Максвелла» — устройство, локально нарушающее второй закон термодинамики.

Предложенное российскими учеными устройство может найти широкое применение в квантовых компьютерах и микроскопических холодильниках точечного действия. Соответствующая статья опубликована в Physical Review B.

Второй закон термодинамики, как вы, наверное, помните, утверждает, что энтропия, то есть неупорядоченность энергетически изолированной системы, не может самопроизвольно уменьшаться, то есть менее упорядоченная система не может стать более упорядоченной без помощи извне. Охладившийся в комнате чайник не может снова нагреться без внешних сил. Аналогичным образом и квантовый бит (кубит) неуклонно теряет свои свойства со временем: по мере нагрева он теряет стабильность своего состояния.

Авторы работы предложили буквально оживить давний умственный эксперимент английского физика Максвелла — создать «демона», который будет работать с кубитом таким образом, чтобы снизить уровень энтропии в нем. Поскольку демона необходимо особым образом подготовить перед каждым взаимодействием с кубитом, а на это уходит энергия, глобально второй закон не нарушается. Однако с локальной точки зрения такой демон все же нарушит второе начало термодинамики.

Роль кубита в концепции исследователей выполняет сверхпроводящий «искусственный атом» — устройство, из которого ранее тот же коллектив предложил сделать квантовый магнитометр. Такой кубит состоит из тонких пленок алюминия, размещенных на кремниевой подложке. При температуре, близкой к абсолютному нулю, он ведет себя как атом с двумя энергетическими уровнями — основным и возбужденным.

Роль демона выполняет второй такой же кубит. Он присоединяется к рабочему кубиту кабелем, который проводит микроволны. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, оказавшись связанными, кубиты начинают самопроизвольно обмениваться виртуальными фотонами — порциями микроволнового излучения. Посредством фотонов кубиты обмениваются состояниями: получая фотон от одного кубита, второй тут же приходит в то состояние, что было у первого, и наоборот.

Вначале второй кубит («демон Максвелла») приводится в «чистое» состояние, то есть такое, в котором он находится в суперпозиции двух состояний, либо на базовом, либо на следующим за базовым энергетическом уровне. Однако его состояние не является определенным (на то и суперпозиция двух состояний), и с равной вероятностью он либо в возбужденном, либо в базовом состоянии. Затем с помощью микроволн он обменивается состояниями с основным, рабочим кубитом, передавая ему свое чистое состояние суперпозиции взамен на «грязное» состояние с такой же энергией. Перейдя в чистое состояние, первый (рабочий) кубит снижает свою энтропию, сохранив прежнюю энергию. Выходит, что «демон Максвелла» (второй кубит) на расстоянии «съедает» энтропию первого кубита — энергетически изолированной системы. Если смотреть на кубит локально, возникает впечатление, что второй закон нарушен. Конечно, происходит это за счет виртуального фотона из внешней системы, но это уже выходит за пределы локальности.

Чистое состояние первого кубита ценно тем, что, в отличие от грязного (когда квантовая суперпозиция потеряла устойчивость под действием тепловых колебаний атомов), чистое состояние кубита можно относительно легко и предсказуемо перевести в основное или в возбужденное приложением внешнего электромагнитного поля. Без такой операции управляемо квантовый компьютер работать не может.

Помимо обеспечения работы квантовых битов в квантовых компьютерах, предложенные авторами искусственные «демоны Максвелла» имеют еще одно применение. Перевод рабочего кубита в чистое состояние и затем в основное вызывает охлаждение точки пространства, где он находится. Кубит тогда работает как нанохолодильник, способный охлаждать нечто предельно малое — например, отдельные фрагменты сложных молекул. Первая точка потенциального применения таких нанохолодильников — те же квантовые компьютеры, где они могли бы охлаждать наиболее «греющиеся» кубиты, предупреждая потерю ими состояния суперпозиции эффективнее, чем обычные холодильники.

Если же демона перевести не в основное, а в возбужденное состояние, то нанохолодильник превратится в нанонагреватель.Обе операции можно проводить многократно, потому что чистое состояние кубита сохраняется лишь доли секунды, после чего оно снова переходит в грязное, поглощая или излучая энергию в случае с холодильником и нагревателем. Авторы уже работают над постановкой предложенного в их статье эксперимента по созданию «демона Максвелла» из искусственных атомов.

 Иван Ортега